Тонкопленочные гибридные сверхпроводниковые гетеропереходы на основе металлооксидных иттрий-бариевых купратов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Кристаллическая структура YBa2Cu3Ox. Методики получения YBCO пленок

1.2. Эффекты Джозефсона. Резистивная модель джозефсоновского перехода

1.3. Симметрия сверхпроводящего параметра порядка YBCO и токо-фазовая зависимость сверхпроводящего тока в джозефсоновских переходах на основе YBCO

1.4. Связанные андреевские состояния в N/D гетеропереходах

1.5. Применение YBCO пленок и устройств на их основе в сверхпроводниковой электронике

Глава 2. Тонкие пленки YBCO и их свойства. Методики изготовления планарных тонкопленочных гетеропереходов на основе YBCO

2.1. Рост эпитаксиальных YBCO пленок методом лазерного распыления

2.2. С-ориентированные пленки YBCO

2.3. Пленки YBCO на наклонных подложках

2.4. Технология изготовления планарных гетеропереходов Au/YBCO и Nb/Au/YBCO

Глава 3. Гетеропереходы Au/YBCO (001) и Nb/Au/YBCO (001) и их свойства

3.1. Температурные зависимости проводимости гетеропереходов

3.2. Влияние содержание кислорода в пленке YBCO на проводимость гетеропереходов Au/YBCO (001)

3.3. Вольт-амперные характеристики гетеропереходов Nb/Au/YBCO (001)

3.4. Фазовая зависимость сверхпроводящего тока в гетеропереходах Nb/Au/YBCO (001)

Глава 4. Гетеропереходы Au/YBCO и Nb/Au/YBCO на наклонных подложках NdGa

4.1. Температурные зависимости сопротивления гетеропереходов

4.2. Уширение андреевских состояний

4.3. Магнитно-полевые зависимости

4.4. Влияние андреевских состояний на сверхпроводящий ток в гетеропереходах Nb/Au/YBCO (1 120)

4.5. Фазовая зависимость сверхпроводящего тока гетеропереходов Nb/Au/YBCO (1 1 20)

Глава 5. Торцевые гетеропереходы микронных и субмикронных размеров

5.1. Технология изготовления торцевых гетеропереходов

5.2. Транспортные свойства торцевых гетеропереходов 88 Заключение 94 Список цитированной литературы

Эффект Джозефсона был открыт в 1962 г. [1] и уже в течении четырех десятилетий вызывает интерес большим разнообразием его применений в самых различных отраслях. Системы с джозефсоновскими контактами активно используются в качестве приемников сверхвысокочастотного излучения в диапазоне частот более 100 ГГц [2]; для детектирования слабых магнитных полей при создании магнитных карт человеческого тела, необходимых для лечения болезней [3]. В последнее время активно развиваются также цифровые устройства на основе эффекта Джозефсона - быстрая одноквантовая логика, в которой информация хранится и записывается в джозефсоновских переходах (ДП) в виде квантов магнитного потока [4]. В настоящее время изготовлен и тестируется 16 разрядный процессор на основе ДП, разработанный для Nb-A10x-Nb технологии и содержащий около 100000 ДП [5].

Новым толчком для развития сверхпроводниковой электроники послужило открытие в 1986 году в металлооксидных соединениях сверхпроводимости с высоким значением температуры перехода в сверхпроводящее состояние (Тс) - высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) [6]. Высокие значения Тс в ВТСП материалах позволили реализовать ДП, работающие при температуре жидкого азота 77 К и по своим параметрам превосходящие ДП на основе металлических (низкотемпературных) сверхпроводников [7].

Однако, несмотря на то, что с момента открытия ВТСП прошло более 15 лет, последовательное объяснение эффекта сверхпроводимости с высокой критической температурой до сих пор не найдено. Кроме того, в отличие от обычных металлических сверхпроводников, для металлооксидных сверхпроводников характерны многокомпонентность, высокая анизотропия кристаллической решетки и электронно-транспортных свойств, а также 2 2 наличие dx у -типа (d-) симметрии сверхпроводящего параметра порядка, получившее в последние годы экспериментальное подтверждение [8]. Все это 4 приводит к новым физическим эффектам, представляющим интерес для исследований.

Для успешного применения металлооксидных сверхпроводников в электронике необходимо создание на их основе многослойной технологии изготовления ДП с высокими критическими параметрами. Не менее важной представляется реализация гибридных гетеропереходов (ГП) между металлооксидными сверхпроводниками и нормальными металлам а также металлическими сверхпроводниками, что позволит создавать устройства, использующие преимущества высокотемпературных сверхпроводников в комбинации с отработанной технологией на основе металлических сверхпроводников.

Таким образом, исследования гибридных сверхпроводниковых ГП на основе металлооксидных сверхпроводников представляют как фундаментальный, так и практический интерес.

Для реализации ГП в данной работе использовались тонкие пленки сверхпроводящего купрата YBa2Cu3Ox (YBCO), который обладает высокой критической температурой Тс=92 К и наименьшей среди металлооксидных сверхпроводников анизотропией.

Целью настоящей работы явилась разработка методик изготовления сверхпроводниковых ГП на основе тонких пленок металлооксидного сверхпроводника YBCO различных кристаллографических ориентаций: планарных гибридных ГП Au/YBCO и Nb/Au/YBCO и торцевых ГП YBCO/PrBa2Ga0.4Cu2.6Ox/YBCO (/ - туннельный барьер); и исследование их электрофизических свойств, в том числе особенностей, следующих из нетривиальной J-симметрии сверхпроводящего параметра порядка металлооксидных сверхпроводников.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы.

Результаты работы докладывались на научных семинарах в ИРЭ РАН; Чалмерском технологическом университете, Гетеборг, Швеция; Институте физики высоких технологий, Йена, Германия.

В заключение мне хотелось бы поблагодарить научного руководителя д.ф.-м.н. Г. А. Овсянникова за знания и большой экспериментальный опыт, которые были получены мною за годы работы под его научным руководством.

Я очень благодарен проф. 3. Иванову, чьи полезные советы и помощь при проведении экспериментов трудно переоценить.

Я искренне признателен д.ф.-м.н. Е. В. Ильичеву, к.ф.-м.н. П. Б. Можаеву, к.ф.-м.н. К. И. Константиняну, к.ф.-м.н. С. А. Ковтонюку, д-ру М. Грайкару, Ю.В. Кислинскому, Д. В. Балашову, П. Н. Дмитриеву и И. В. Борисенко за помощь в проведении экспериментов.

Я благодарен проф. А. Н. Выставкину, д.ф.-м.н. В. П. Кошельцу, к.ф.-м.н. А. В. Зайцеву, д.ф.-м.н. М. А. Тарасову и всему коллективу лаб. №235 ИРЭ РАН за постоянную готовность помочь советом и делом.

Хотелось бы выразить отдельную благодарность проф. Т. Клаесону за предоставленную мне возможность выполнить в его лаборатории физического факультета Чалмерсовского технологического университета существенную часть данной работы. Я благодарю к.ф.-м.н. А. Я. Цаленчука, д.ф.-м.н. Ю. А. Бойкова, к.ф.-м.н. Е. А. Степанцова, к.ф.-м.н. В. Шумейко, д-ра Т. Лёфвандера, д-ра Ф. Ломбарди, д-ра М. Хуанга, Б.Хёгберга, С. Перссона, X. Фредериксена, Б. Нилссона и всех сотрудников лаборатории сверхпроводимости физического факультета Чалмерсовского технологического университета за ценные советы и своевременную помощь в решении многочисленных проблем при проведении экспериментов.

Я искренне благодарю своих родителей Виктора Георгиевича, Людмилу Васильевну и свою жену Милу за постоянную поддержку и заботу.

Заключение

1. В. D. Josephson, Phys. Rev. v.l, p.251 (1962).

2. A. H. Выставкин, В. П. Кошелец, Г. А. Овсянников, Радиотехника и Электроника т.ХХХ1У(12), с.2465 (1989).

3. Н. Koch, IEEE Trans. Appl. Supercond. v.ll(l), p.49 (2001).

4. К. K. Likharev and V. K. Semenov, IEEE Trans. Appl. Supercond. v.l, p.3 (1991).

5. M. Dorojevets, P. Bunyk, and D. Zinoviev, IEEE Trans. Appl. Supercond. v.ll(l), p.326 (2001).

6. J. G. Bednorz and K. A. Muller, Z. Phys. В Cond. Matt, v.64, p. 189 (1986).

7. P. A. Nilsson, Z. G. Ivanov, D. Winkler, Physica С v.185-189, p.2597 (1991).

8. С. C. Tsuei and J. R. Kirtley, Rev. Mod. Phys. v.72, p.969 (2000).

9. B. A. Hunter, J. D. Jorgensen, J. L. Wagner et al., Physica С v.221, p.l (1994).

10. J. L. Routbort and S. J. Rothman, J. Appl. Phys. v.76, p.5615 (1994).

11. J. D. Jorgensen, B. W. Veal, A. P. Paulikas, et. al., Phys. Rev. В v.41, p. 1863 (1990).

12. П. Б. Можаев, "Изготовление и свойства эпитаксиальных пленочных шетероструктур на основе высокотемпературного сверхпроводника YBa2Cu3Ox", Дисс. к.ф.-м.н., М. 1999.

13. И. Э. Грабой, А. Р. Кауль, Ю. Г. Метлин, "Химия твердого тела" (Итоги науки и техники ВИНИТИ АН СССР) т.6, с.3-142 (1989).

14. Н. J. Scheel, MRS Bulletin v.XIX, p.26 (1994).

15. U. Рорре, N. Klein, U. Dahne et al., J. Appl. Phys. v.71, p.5572 (1992).

16. N. Terada, H. Ihara, M. Jo et al, Jpn. J. Appl. Phys. Lett, v.27, p.639 (1988).

17. N. Savvides, A. Katsaros, Appl. Phys. Lett, v.62, p.528 (1993).

18. V. Matijasevic, I. Bozovic, Sol. St. and Mat. Sci. v.l, p.l (1996).

19. B. Dam, J. Rector, M. F. Chang et al., Appl. Phys. Lett, v.65, p.1581 (1994).

20. Y.Nakata, W. K. A. Kumuduni, T. Okada et al., Appl. Phys. Lett, v.66, p.3206 (1995).

21. Z. Trajanovich, L. Senapati, R. P. Sharma, and T. Venkatesan, Appl. Phys. Lett, v.66, p.2418 (1995).

22. R. Feenstra, Т. B. Lindemer, J. D. Budai, and M. D. Galloway, J. Appl. Phys. v.69, p.6569 (1991).

23. P. W. Andreson, J. M. Rowell, Phys. Rev. Lett, v.10, p.230 (1963).

24. S. Shapiro, Phys. Rev. Lett, v.ll, p.80 (1963).

25. И. К.Янсон, В. M. Свистунов, И. М. Дмитриенко, ЖЭТФ т.48, с.976 (1965).

26. Дж. Бардин, JI. Купер, Дж. Шриффер, В сб. "Теория сверхпроводимости", под ред. Н. Н. Боголюбова, Изд. Иностранная литература, М. 1960, с. 3.

27. В. Л. Гинзбург, Л. Д. Ландау, ЖЭТФ т.20, с.1064 (1950).

28. В. В. Шмидт, "Введение в физику сверхпроводников", Изд. МЦНМО, М. 2000. с. 115.

29. А. Бароне, Дж. Патерно, "Эффект Джозефсона. Физика и применения", Пер. с англ. Изд. Мир, М. 1984.

30. К. К. Лихарев, Б. Т. Ульрих, "Системы с джозефсоновскими контактами. Основы теории", Изд. МГУ, М. 1978.

31. Y. Tanaka, Phys. Rev. Lett, v.72, p.3871 (1994).

32. G. E. Blonder, M. Tinkham, and Т. M. Klapwijk, Phys. Rev. В v.25, p.4515 (1982).

33. К. K. Likharev, Rev. Mod. Phys. v.51, p.101 (1979).

34. E. Il'ichev, V. Zakosarenko, R. P. J. Ijsselsteijn et al., Phys. Rev. Lett, v.81, p.894 (1998).

35. K. A. Kouznetsov, A. G. Sun, B. Chen et al., Phys. Rev. Lett, v.79, p.3050 (1997).

36. D. A. Wollman, D. J. Van Harlingen, W. C. Lee et. al., Phys. Rev. Lett, v.71, p.2134 (1993).

37. D. A. Wollman, D. J. Van Harlingen, J. Giapintzakis, and D. M. Ginsberg, Phys. Rev. Lett, v.74, p.797 (1995).

38. A. G. Sun, A. Truscott, A. S. Katz et. al, Phys. Rev. В v.54, p.6734 (1996).

39. R. Kleiner, A. S. Katz, A. G. Sun et al., Phys. Rev. Lett, v.76, p.2161 (1996).

40. C. Hu, Phys. Rev. Lett, v.72, p. 1526 (1994).

41. T. Lofwander, V. S. Shumeiko, and G. Wendin, Supercond. Sci. Technol. R v.14, p.53 (2001).

42. JI. Д. Ландау, E. M. Лнфшнц, "Квантовая механика. Нерелятивистская теория", Изд. Наука, М. 1976.

43. S. Kashiwaya, Y. Tanaka, М. Koyanagi et. al., Phys. Rev. В v.51, p.1350 (1995).

44. Yu. S. Barash, A. A. Svidzinsky, and H. Burkhardt, Phys. Rev. В v.55, p.15282 (1997).

45. J. Lesueur, L. H. Greene, W. L. Feldmann, and A. Inam, Physica С v.191, p.325 (1992).

46. M. Covington, M. Aprili, E. Paraoanu et. al., Phys. Rev. Lett, v.79, p.277 (1997).

47. M. Aprili, E. Badica, and L. H. Greene, Phys. Rev. Lett, v.83, p.4630 (1999).

48. R. Krupke and G. Deutscher, Phys. Rev. Lett, v.83, p.4634 (1999).

49. J. Lesueur, X. Grison, M. Aprili, and T. Kontos, J. Low Temp. Phys. v.117, p.539 (1999).

50. L. Alff, A. Beck, R. Gross et. al., Phys. Rev. В v.58, p.l 1197 (1998).

51. W. Wang, M. Yamazaki, K. Lee, and I. Iguchi, Phys. Rev. В v.60, p.4272 (1999).

52. J. Y. T. Wei, N.-C. Yeh, D. F. Garrigus, and M. Strasik, Phys. Rev. Lett, v.81, p.2542 (1998).

53. M. Fogelstrom, D. Rainer, and J.A.Sauls, Phys. Rev. Lett, v.79, p.281 (1997).

54. M. B. Walker and P. Pairor, Phys. Rev. В v.59, p.1421 (1999);

55. R. A. Riedel and P. F. Bagwell, Phys. Rev. В v.57, p.6084 (1998).

56. С. B. Eom, A.F.Marshall, Y.Suzuki et. al., Phys. Rev. В v.46, p.l 1902 (1992).

57. S. Poelders, R. Auer, G. Linker et. al, Physica С v.247, p.309 (1995).

58. B. A. Willemsen, IEEE Trans. Appl. Supercond. v.ll(l), p.60 (2001).

59. Л. П. Горьков, H. Б. Копнин, УФНт.156, с. 117 (1988).

60. A. V. Andreev, Yu. Ya. Divin, V. N. Gubankov et al., Physica С v.226, p. 17 (1994).

61. G. M. Fischer, A. V. Andreev, Yu. Ya. Divin et al., Physica В v.194-196, p.1687 (1994).

62. K. Char, L. Antognazza, Т. H. Geballe, Appl. Phys. Lett, v.65, p.904 (1994).

63. M. A. J. Verhoeven, G. J. Gerritsma, A. Golubov, and H. Rogalla, IEEE Trans. Appl. Supercond. v.5, p.2095 (1995).

64. M. I. Faley, U. Poppe, C. L. Jia et al., Physica С v.235-240, p.591 (1994).

65. M. D. Strikovskiy, A. Engelhardt, Appl. Phys. Lett., v.69, p.2918 (1996).

66. A. Yu. Kidiyarova-Shevchenko, M. Huang, P. Komissinski et. al., Inst. Phys. Conf. Ser. v.l67(2), p.737 (2000).

67. M. Q. Huang, P. V. Komissinski, P. B. Mozhaev et. al., J. of Low Temp. Phys. v.117, p.587 (1999).

68. А. В. Зайцев, ЖЭТФ т.86, с. 1742 (1984).

69. M. Yu. Kupriyanov, К. К. Likharev, IEEE Trans. Magn. v.27, p.2460 (1991).

70. S. E. Russek, S. C. Sanders, A. Roshko, and J. W. Ekin, Appl. Phys. Lett. v.64, p.3649 (1994).

71. J. W. Ekin, С. C. Clickner, S. E. Russek, and S. C. Sanders, IEEE Trans. Appl. Supecond. v.5(2), p.2400 (1995).

72. G. M. Daly, J. M. Pond, M. S. Osofsky et. al., IEEE Trans. Appl. Supercond. v.7(2), p.2153 (1997).

73. S. C. Sanders, S. E. Russek, С. C. Clickner, and J. W. Ekin, IEEE Trans. Appl. Supecond. v.5(2), p.2404 (1995).

74. Z. H. Gong, J. K. Grepstad, and R. Fagerberg, IEEE Trans. Appl. Supecond. v.5(2), p.2412 (1995).

75. Y. Dagan, A. Kohen, A. Revcolevschi, and G. Deutscher, Phys. Rev. В v.61, p.7012 (2000).

76. H. Terai, A. Fujimaki, Y. Takai, and H. Hayakawa, IEEE Trans. Appl. Supecond. v.5(2), p.2408 (1995).

77. Yizi Xu, J. W. Ekin, S. E. Russek et. al., IEEE Trans. Appl. Supecond. v.7(2), p.2836 (1997).

78. Siu-Wai Chan, Lie Zhao, Qi Li et. al., J. Mater. Res.v.10, p.2428 (1995).

79. A. S. Katz, A. G. Sun, K. Char, and R. C. Dynes, Appl. Phys. Lett, v.66, p. 105 (1995).

80. H. J. H. Smilde, H. Hilgenkamp, G. J. Gerritsma et. al., IEEE Trans. Appl. Supercond. v.ll(2), p.501 (2001).

81. H. Akoh, C. Camerlingo, and S. Takada, Appl. Phys. Lett, v.56, p.14871990).

82. A. Fujimaki, Y. Takai, and H. Hayakawa, IEEE Trans. Magn. v.27, p. 13531991).

83. C. P. Williams and S. H. Clerwater, "Explorations in quantum computing", Изд. Allan M. Wylde, New York (1998).

84. L. B. Ioffe, V. B. Geshkenbein, M. V. Feigel'man et. al., Nature v.398, p.679 (1999).

85. P. Larsson, "Sub-micron structures in laser ablated YBa2Cu307- thin films", PhD Thesis, Chalmers University of Technology, 1999.

86. X. Y. Li, N. J. Wu, K. Xie et al., Physica С v.248, p.281 (1995).

87. F. Vassenden, G. Linker, J. Geerk, Physica С v.175, p.566 (1991).

88. U. Jeschke, R. Schneider, G. Ulmer, G. Linker, Physica С v.243, p.243 (1995).

89. M. Kawasaki, M. Nantoh, MRS Bulletin v.XIX, p.33 (1994).

90. C. L. Jia, B. Kabius, K. Urban et al., Physica С v.196, p.211 (1992).

91. K. Verbist, A. Kuhle, A. L. Vasiliev, Physica С v.269, p.131 (1996).

92. P. Lu, Y. Q. Li, J. Zhao et al., Appl. Phys. Lett., v.60, p.1265 (1992).

93. D. Huttner, U. Gunther, O. Meyer et al., Appl. Phys. Lett, v.65, p.2863 (1994).

94. И. К. Бдикин, П. Б. Можаев, Г.А.Овсянников и др., ФТТ т.43, с.1548 (2001).

95. У. Моро, "Микролитография", в двух частях, Изд. Мир, М. 1990.

96. М. Yu. Kupriyanov, A. Brinkman, A. A. Golubov et al,. Physica С v.326-327, p.16 (1999).

97. M. Ю. Куприянов, В. Ф. Лукичев, ЖЭТФ т.94, с.139 (1988).

98. Yu. S. Barash, А. V. Galaktionov, A. D. Zaikin, Phys. Rev. В v.52, p.665 (1995).

99. А. В. Зайцев, Письма в ЖЭТФ т.51, с.35 (1990).

100. G. Е. Babayan, L. V. Filippenko, G. A. Ovsyannikov et. al., Supercond. Sci. Technol. v.4, p.476 (1991).

101. A. F. Volkov, A. V. Zaitsev, and Т. M. Klapwijk, Physica С v.210, p.21 (1993).

102. E. H'ichev, V. Zakosarenko, L. Fritzsch et. al., Rev. Sci. Instr.v.72, p.1882 (2001).

103. P. V. Komissinski, E. Il'ichev, G. A. Ovsyannikov et. al., EuroPhys. Lett. v.57, p.585 (2002).

104. N. Didier, C. Dubourdieu, A. Rosova et. al., J. Alloys Compounds v.251, p.322 (1997).

105. M. Sigrist, K. Kuboki, P. A. Lee et. al., Phys. Rev. В v.53, p.2835 (1996).

106. R. Haslinger and R. Joynt, J. Phys. Condens. Matter v.12, p.8179 (2000).

107. A. J. Millis, Phys. Rev. В v.49, p. 15408 (1994).

108. S.L.Cooper and K.E.Gray, "Physical Properties of High Temperature Superconductors" v.IV, edited by D. M. Ginsberg, World Scientific, Singapore, 1994.

109. А. Л. Шеланков, ФТТ т.26, c.1615 (1984).

110. J. G. Simmons, J. Appl. Phys. v.34, p.1793 (1963).

111. M. B. Walker and P. Pairor, Phys. Rev. В v.60, p.10395 (1999); Physica С v.341-348, p. 1523 (2000).

112. G. Deutscher, Y. Dagan, A. Kohen, and R. Krupke, Physica С V.341-348, p. 1629 (2000).

113. Y. Dagan and G. Deutscher, Phys. Rev. Lett, v.87, p.177004 (2001).

114. S. Yip, J. Low Temp. Phys. v.91, p.203 (1993).

115. В. H. Губанков, В. П. Кошелец, Г.А.Овсянников, ЖЭТФ т.71, с.348 (1976).

116. А. Д. Маштаков, К. И. Константинян, Г. А. Овсянников, Е. А. Степанцов, Письма в ЖТФ 25, 1 (1999).

117. Г. А. Овсянников, И. В. Борисенко, К. И. Константинян и др., Письма в ЖТФ 25, 65 (1999).

118. P. Larsson, В. Nilsson, Н. R. Yi, and Z. G. Ivanov, Inst. Phys. Conf. Ser. v.l48(2), p.935 (1995);

119. P. Larsson, B. Nilsson, and Z. G. Ivanov, J. Vac. Sci. Technol. В v.18, p.25 (2000).

120. К. К. Лихарев, Л. А. Якобсон, ЖТФ т.45, с. 1503 (1975).